Bioelementos y biomoléculas: la base química de la vida

La vida está hecha de los mismos componentes químicos que encontramos en el planeta Tierra. Aunque los seres vivos cumplen las mismas leyes físicas y químicas que el resto del universo, la proporción y organización de sus elementos son completamente distintas a las del mundo inanimado.

Esta unidad nos permitirá entender qué elementos químicos conforman a los seres vivos y cómo estos se organizan en moléculas específicas que permiten el desarrollo de la vida. Desde los átomos básicos hasta las estructuras moleculares complejas, veremos cómo la química proporciona las bases para todos los procesos vitales.

💡 ¿Sabías que...? Aunque el universo está compuesto por más de 100 elementos químicos, la vida en la Tierra utiliza principalmente solo 6 de ellos (C, H, O, N, P, S) para formar casi todas sus estructuras. ¡La vida es química seleccionada!

Los bioelementos: los átomos de la vida

Los bioelementos son los átomos que componen la materia viva y le confieren propiedades distintas a las de la materia inerte. Se clasifican según su abundancia en los organismos:

• Bioelementos primarios: Constituyen el 96% de la materia viva e incluyen carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S).

• Bioelementos secundarios: Representan el 3,9% restante e incluyen calcio, sodio, potasio, cloro, yodo, magnesio, hierro, cobre, zinc y otros.

El carbono es el elemento estrella de la vida por sus características únicas:

1. Forma enlaces covalentes estables y con alto contenido energético
2. Puede unirse hasta con cuatro elementos diferentes, creando gran variedad molecular
3. Forma enlaces sencillos, dobles o triples
4. Se une a otros carbonos formando largas cadenas
5. Sus compuestos son estables pero pueden transformarse mediante reacciones químicas
6. Al unirse con oxígeno forma compuestos gaseosos

Los bioelementos secundarios, aunque menos abundantes, son igualmente esenciales: el calcio en huesos y contracción muscular, el sodio y potasio en la transmisión nerviosa, y el hierro en el transporte de oxígeno.

💡 Nota importante: El conjunto de bioelementos que suponen más del 0,1% se denominaban "bioelementos plásticos", mientras que los que están en menos del 0,1% se conocían como "oligoelementos", aunque esta clasificación está en desuso.

Las biomoléculas: la organización molecular de la vida

Las biomoléculas (o principios inmediatos) son las moléculas que componen la materia viva. Se clasifican en dos grandes grupos:

1. Biomoléculas inorgánicas: No contienen cadenas de carbono. Incluyen:

   • Agua
   • Sales minerales
   • Gases

2. Biomoléculas orgánicas: Formadas por cadenas de carbono unidas a hidrógenos. Incluyen:

   • Glúcidos
   • Lípidos
   • Proteínas
   • Ácidos nucleicos

Según su complejidad, las biomoléculas orgánicas pueden ser:

• Monómeros: Unidades moleculares pequeñas que forman parte de moléculas mayores.
• Polímeros: Agrupaciones de monómeros que componen moléculas de mayor tamaño.

Las biomoléculas dan estructura a los seres vivos y participan en todos los procesos necesarios para la vida, desde el almacenamiento de energía hasta la transmisión de información genética.

Aunque todos los seres vivos compartimos estas biomoléculas básicas, la forma específica en que se organizan y funcionan da lugar a la enorme diversidad de organismos que existe en nuestro planeta.

💡 Concepto clave: ¡La vida surge de la organización! Las mismas biomoléculas básicas, combinadas de diferentes formas, pueden crear desde una bacteria microscópica hasta un ser humano.

El agua: la molécula esencial de la vida

El agua es la biomolécula inorgánica más abundante en los seres vivos. Representa desde el 65-70% en humanos hasta el 98% en medusas o el 97% en lechugas. Es más abundante en tejidos activos (embriones, líquidos internos) y menos en estructuras de soporte (huesos, semillas, pelo).

Estructura y propiedades

La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno (H₂O). Sus características especiales derivan de su estructura:

• Forma un dipolo con carga parcial negativa en el oxígeno y positiva en los hidrógenos
• Las moléculas se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno

Estas características le confieren propiedades únicas:

• Alto calor específico: Necesita mucha energía para aumentar su temperatura
• Alto calor de vaporización: Absorbe gran cantidad de energía al evaporarse
• Alta tensión superficial: Sus moléculas están muy cohesionadas
• Capilaridad: Puede ascender por tubos finos
• Menor densidad en estado sólido: El hielo flota en el agua líquida

Estas propiedades permiten que el agua desempeñe funciones vitales como:

1. Disolvente universal para moléculas polares
2. Función estructural dando volumen y resistencia
3. Transporte de sustancias por el organismo
4. Termorregulación manteniendo la temperatura corporal estable

💡 ¿Por qué es tan importante? El agua representa aproximadamente el 65-70% de tu peso corporal y participa en prácticamente todas tus funciones vitales. Sin agua, la vida tal como la conocemos sería imposible.

Sales minerales: el equilibrio de la vida

Las sales minerales son biomoléculas inorgánicas esenciales que se presentan en los seres vivos de tres formas distintas:

Precipitadas

Forman estructuras sólidas que dan soporte y protección, como:

• Carbonato cálcico en conchas y caparazones
• Fosfato cálcico en huesos y dientes
• Sílice en diatomeas y esponjas

Disueltas

En forma de iones, participan en procesos esenciales:

• Cationes importantes: Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺
• Aniones importantes: Cl⁻, PO₄³⁻, CO₃²⁻

Sus funciones incluyen:

• Mantener el grado de salinidad
• Amortiguar cambios de pH
• Controlar la contracción muscular

Asociadas a otras moléculas

Los iones se unen a moléculas orgánicas permitiendo funciones específicas:

• Hierro (Fe²⁺) en la hemoglobina para transportar oxígeno
• Magnesio (Mg²⁺) en la clorofila para capturar energía lumínica
• Fosfatos en los ácidos nucleicos y en proteínas como la caseína

💡 Dato interesante: El sodio y el potasio son fundamentales para la transmisión del impulso nervioso. Sin estos iones, no podrías mover ni un solo músculo ni procesar ningún pensamiento.

Propiedades de las disoluciones: difusión y ósmosis

Las disoluciones de agua y sales minerales presentan propiedades fundamentales para los seres vivos:

Difusión

Es el movimiento espontáneo de partículas desde zonas de mayor concentración hacia zonas de menor concentración. Este proceso permite:

• La entrada de oxígeno en las células
• La salida de CO₂ de las células

La difusión es un proceso pasivo que no requiere energía, ocurriendo naturalmente por el movimiento aleatorio de las partículas.

Ósmosis

Es el movimiento de agua a través de una membrana semipermeable, desde una solución con menor concentración de solutos hacia otra con mayor concentración. Este proceso es esencial para:

• La absorción de agua por las raíces de las plantas
• El mantenimiento del volumen celular
• La regulación de la hidratación en los tejidos

Dependiendo de las concentraciones relativas, las soluciones pueden ser:

• Isotónicas: Igual concentración de solutos
• Hipertónicas: Mayor concentración de solutos
• Hipotónicas: Menor concentración de solutos

💡 Aplicación práctica: La ósmosis explica por qué ponemos garbanzos en remojo antes de cocerlos (absorben agua) y por qué los sueros intravenosos deben ser isotónicos (para no dañar las células sanguíneas).

Los glúcidos: moléculas energéticas

Los glúcidos (también llamados azúcares, carbohidratos o hidratos de carbono) son biomoléculas orgánicas formadas principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque algunos contienen también nitrógeno y fósforo.

Los glúcidos: energía y estructura

Los glúcidos tienen dos funciones principales:

1. Función energética: Proporcionan 4,5 Kcal/g, siendo la principal fuente de energía inmediata para los seres vivos.
2. Función estructural: Forman parte de estructuras celulares como la pared vegetal (celulosa) y componentes de ácidos nucleicos.

Se clasifican según su complejidad:

Monosacáridos

Son los glúcidos más simples, formados por cadenas cortas de carbono $3-7 átomos$:

• Triosas: 3 carbonos
• Pentosas: 5 carbonos (como la ribosa y desoxirribosa, componentes de los ácidos nucleicos)
• Hexosas: 6 carbonos (como la glucosa, fructosa y galactosa)

Son solubles en agua, de sabor dulce y pueden presentarse en formas lineales o cíclicas.

Disacáridos

Formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace glucosídico:

• Maltosa: dos glucosas (presente en cereales)
• Lactosa: glucosa + galactosa (el azúcar de la leche)
• Sacarosa: glucosa + fructosa (azúcar de mesa)

Polisacáridos

Son polímeros formados por cientos o miles de monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos:

• Almidón: reserva energética en vegetales
• Glucógeno: reserva energética en animales (principalmente en hígado y músculos)
• Celulosa: componente estructural de la pared celular vegetal
• Quitina: componente del exoesqueleto de artrópodos

💡 Dato curioso: La celulosa es el compuesto orgánico más abundante en la Tierra, pero los humanos no podemos digerirla porque carecemos de la enzima necesaria. Sin embargo, algunos animales como las vacas tienen bacterias simbióticas que les permiten aprovecharla.

Lípidos: biomoléculas versátiles

Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas principalmente por C, H y O, aunque algunos también contienen P, N y S. A diferencia de otras biomoléculas, son insolubles en agua pero solubles en disolventes orgánicos como éter, cloroformo o benceno.

Muchos lípidos contienen ácidos grasos, que son cadenas de hidrocarburos con un grupo carboxilo $-COOH$ en un extremo. Estos pueden ser:

• Saturados: Todos los enlaces entre carbonos son sencillos (sólidos a temperatura ambiente)
• Insaturados: Contienen uno o más enlaces dobles (generalmente líquidos a temperatura ambiente)

Funciones de los lípidos

Los lípidos desempeñan tres funciones principales en los organismos:

1. Reserva energética: Los triglicéridos almacenan 9,4 Kcal/g, más del doble que los glúcidos o las proteínas.

2. Función estructural: Forman parte de membranas celulares (fosfolípidos y colesterol), protegen órganos (grasas) y recubren superficies (ceras).

3. Función metabólica: Incluyen vitaminas liposolubles (A, D, E, K), hormonas y pigmentos.

💡 Aplicación práctica: Cuando consumes más calorías de las que gastas, el exceso se almacena principalmente como triglicéridos en el tejido adiposo. ¡Por eso es importante mantener un equilibrio energético en la dieta!

Tipos de lípidos y sus funciones

Grasas neutras o triglicéridos

Están formados por una molécula de glicerina unida a tres ácidos grasos mediante enlaces éster. Son la principal reserva energética en animales y también funcionan como aislante térmico. Pueden ser:

• Saturados: Sólidos a temperatura ambiente (manteca, sebo)
• Insaturados: Líquidos a temperatura ambiente (aceites)

Fosfolípidos

Están compuestos por una glicerina, dos ácidos grasos, un grupo fosfato y un aminoalcohol. Son moléculas anfipáticas (con una parte hidrófila y otra hidrófoba), lo que les permite formar bicapas lipídicas, la estructura básica de todas las membranas celulares.

Esteroides

Moléculas derivadas del ciclopentano perhidrofenantreno o esterano. Ejemplos importantes:

• Colesterol: Componente estructural de membranas celulares
• Hormonas sexuales: Testosterona, estrógenos, progesterona
• Vitamina D: Regula la absorción de calcio

Isoprenoides o terpenos

Derivados del isopreno, incluyen:

• Vitaminas A y E
• Pigmentos vegetales (carotenoides, clorofila)
• Caucho y diversos aromas vegetales

💡 Dato interesante: Los fosfolípidos son tan importantes que se organizan espontáneamente en bicapas cuando se encuentran en medio acuoso, formando vesículas similares a las primeras células. ¡Esta propiedad pudo ser clave en el origen de la vida!

Las proteínas: moléculas multifuncionales

Las proteínas son biomoléculas orgánicas formadas por C, H, O y N, a veces también contienen P y S. Constituyen el 50% de la materia seca de los seres vivos y son increíblemente diversas en estructura y función.

Aminoácidos y enlace peptídico

Las proteínas están formadas por unidades básicas llamadas aminoácidos. Cada aminoácido tiene:

• Un grupo amino $-NH₂$
• Un grupo carboxilo $-COOH$
• Un carbono alfa central
• Un radical R característico (diferente para cada uno de los 20 aminoácidos)

Los aminoácidos se unen entre sí mediante enlaces peptídicos, formando cadenas lineales. Cuando estas cadenas tienen menos de 100 aminoácidos, se denominan péptidos.

Estructura de las proteínas

Las proteínas tienen cuatro niveles estructurales:

1. Estructura primaria: La secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.

2. Estructura secundaria: Ordenamiento espacial formando estructuras regulares como hélice alfa o lámina plegada, estabilizadas por puentes de hidrógeno.

3. Estructura terciaria: Plegamiento tridimensional de la cadena, puede ser filamentosa o globular, estabilizada por enlaces débiles (puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones hidrofóbicas).

4. Estructura cuaternaria: Asociación de varias cadenas polipeptídicas independientes para formar proteínas complejas, como la hemoglobina o los anticuerpos.

💡 Concepto clave: La función de una proteína está determinada por su estructura tridimensional. Si esta estructura se altera (desnaturalización), la proteína pierde su función.